四种常见蛛丝捕丝性能的初步研究

四种常见蛛丝捕丝性能的初步研究

蜘蛛门虱子的形状广泛分布于世界各地。不同的蜘蛛分泌不同的丝,织不同的网,其生活策略也不尽相同。通常,蜘蛛能分泌多种不同类型的丝,可用于织网、捕食、逃避和织制卵袋等。不同类型的丝是由不同丝腺、导管和纺管产生的。蜘蛛丝具有质地轻、富有弹性、强度高、耐低温、耐腐蚀和抗酶解等特性,有广泛的应用前景,可用于纺织制衣、医疗、军事、航空航天、建筑和体育等各个领域。蜘蛛丝可谓是迄今为止发现的综合性能最为优异的天然纤维材料,成为当今材料科学领域研究的热点。目前,国内外科学家对于蛛丝的研究报道较多,主要是集中对蛛丝的生物学特性(Kaplanetal.,1991)、蛛丝氨基酸组成及序列、蛋白质二级结构(Xuetal.,1990;Fahnestocketal.,1997)、机械性能、力学性能(Lewis,1996;FKKo,2004)、生物学功能、丝纤维的微结构以及蛛丝基因的分离转化(Gueretteetal.,1996;Anthoulaetal.,2002)、蛛丝人工合成模拟和蛛丝的应用(NexiaBiotechnologieslnc.l999)等方面的研究。本研究以4种常见结网型蜘蛛为材料,对蜘蛛丝的生物学特性和物理机械性能进行研究,为蛛丝的进一步理论研究和开发利用提供一定的理论支持。1材料和方法1.1草间钻头蛛hyluspart2实验所用的蜘蛛均采自于河南省南阳市郊区农田附近,分别是大腹园蛛Araneusventricosus、迷宫漏斗蛛Agelenalabyrinthica、草间钻头蛛Hylyphantesgraminicola和棒络新妇Nephilaclavata。将采回的蜘蛛单头饲养于玻璃指管(长13cm,直径2cm)中,指管底部放吸足水的海绵,供蜘蛛饮水。玻璃指管放于恒温培养箱内,温度为25℃,光照时间为14h。所有蜘蛛均喂以果蝇Drosophilasp.和摇蚊Tendipessp.成虫。分析用的牵引丝以1cm/s的速度(与蜘蛛织网时的自然抽丝速度相当(Vollrath,1994))抽出,并卷在纸筒上,供测试用。1.2培养液丝在培养其培养的污丝将一小型培养皿慢慢靠近一张完整蜘蛛网,网的一部分粘于培养皿皿口边缘,然后用剪刀轻轻地将丝在皿口边缘处剪断。蛛丝在OlympusC-35AD型光学显微镜下放大20倍观察。1.3纤维密度的测定方法参照潘志娟等略加改进(李春萍,2002)。以四氯化碳为重液、二甲苯为轻液,配置密度梯度液。将配制好的密度梯度管平稳地放入MD01型密度梯度仪的恒温槽中平衡24h,槽内液体温度控制在25±1℃,用标准小球标定各梯度管密度-高度关系曲线,将蛛丝紧紧缠绕打结成直径为1mm的小球,并投入到盛有1～2ml二甲苯的离心管中用离心机在3000rpm的速度下脱泡10min,然后将其投入密度梯度管中,待其位置稳定后读取纤维球在管中的高度,根据密度-高度曲线计算纤维密度值。1.4拉伸性能测试方法参照李春萍等略加改进(李春萍,2002)。李春萍等(2002)研究表明蜘蛛丝的断面基本为圆形。利用扫描电镜及计算机图像处理系统测得4种不同蛛丝的截面积。利用YG004A型单纤维电子强力仪测得其力-伸长曲线,并计算断裂强度、断裂伸长率。拉伸性能测定条件是试样夹持长度10mm,拉伸速度10mm/min;环境条件为20℃,相对湿度65%,每一试样测定20次,取平均值。蛛丝伸长率的计算方法:伸长率=(L-L0)/L0×100%,L0和L分别表示初始长度和断裂长度。2结果2.1织物的类型见表14种蜘蛛蛛丝在光学显微镜下的观察表明,捕丝是由2根核心丝构成,但其表面覆盖了一层水溶性的粘性物质,上面还排列着大小不均的小液滴。大腹园蛛拖牵丝呈白色略带黄色,织白色圆网。迷宫漏斗蛛拖牵丝呈白色,织漏斗型网。草间钻头蛛的拖牵丝也呈白色,织白色的皿网。棒络新妇拖牵丝呈金黄色,织金黄色圆网。研究表明4种蜘蛛蛛丝的颜色不同,网的类型也不同。在野外观察时粗略观察似乎都是白色,以某种合适角度仔细观察才能辨别丝的颜色。2.2密度和高度的相关性蜘蛛丝密度测定中所配制的密度梯度液高度-密度的关系方程为:Y=0.0030X+0.3201,R2=0.9963,Y=0.0029X+0.5436,R2=0.9926,式中,Y为密度,X为高度,R为两者的相关系数。由上述曲线测得4种蜘蛛拖牵丝的密度如表1。从表看出4种蜘蛛蛛丝的密度略有不同,棒络新妇的蛛丝密度最大,草间钻头蛛的蛛丝密度最小。4种蛛丝的密度与昆虫蚕丝的密度(1.33～1.45g/cm3)极为相似,小于Kevlar(1.43～1.45g/cm3)等大多数高性能纤维(王善元,张汝光,1998),远远小于钢铁的密度。蜘蛛丝和蚕丝一样应属于轻质材料,这一特性与其优异的综合力学性能结合,可将其应用于轻质高强复合材料、降落伞、防弹衣、人体组织伤口缝合工程材料等领域。2.3棒络新妇蛛丝的断裂强度从表2可以清楚的看到,4种蜘蛛蛛丝中棒络新妇蛛丝的断裂伸长率和断裂强度均最大,分别为47.3%和852.6Nmm-2,草间钻头蛛蛛丝的断裂伸长率和断裂强度均最小,分别为32.1%和652.3Nmm-2,棒络新妇蛛丝截面积最大。与其它普通的丝纤维相比,蛛丝的断裂伸长率和断裂强度都远大于丝纤维,具有良好的机械性能。4种蛛丝与橡胶、6号尼龙相比,断裂伸长率远小于它们,但是断裂强度远大于它们,说明蛛丝具备较强的抗拉性能。4种蛛丝与钢丝、Kevlar相比,虽然断裂强度远小于它们,但是断裂伸长率远高于它们,断裂伸长率最小的草间钻头蛛蛛丝的断裂伸长率是钢丝的4倍,是Kevlar的6倍。由此可见蛛丝集中体现了其它丝纤维、橡胶、尼龙和钢丝等的优越性能,可能在今后工业生产应用方面具有很强的潜在优势。3蛛丝的生长与结构4种蜘蛛蛛丝在显微镜下观察呈现不同的结构和颜色,Augstenk等(2000)利用TEM观察到圆网蛛Nephliaclavipes牵引丝具有皮芯层结构,皮层的物质组成与芯层不同,芯层内有大量圆形断面的孔穴。他们认为皮层与芯层的蛋白质构成不同,同时芯层是由一系列沿纤维轴线方向排列的折叠状原纤维组成的。蜘蛛的丝是由丝腺分泌而成的,蒋平等(2006)观察研究了棒络新妇和悦目金蛛Argiopeamoena的大壶状腺、小壶状腺、鞭状腺、柱状腺、葡萄状腺和梨状腺共6种丝腺,结果表明两种蜘蛛丝腺形态特征基本相似;部分丝腺的形态结构和颜色有些差异;悦目金蛛的葡萄状腺比棒络新妇发达。棒络新妇和悦目金蛛的网和卵袋特征与丝腺的颜色相一致。由此可见,蛛丝形态结构与颜色的差异与蛛丝的超微结构和丝腺的构造有关。4种蜘蛛蛛丝的形态结构和成丝丝腺有待进一步深入研究。4种蜘蛛蛛丝与其它丝纤维、尼龙、钢铁、橡胶和Kevlar相比,无论是密度还是断裂伸长率和断裂强度,都具有优异的综合力学性能,蛛丝的卓越性能与蛛丝蛋白的氨基酸组成和含量、二级结构和空间构象有着密切的联系。蒋平等(2006)利用付里叶变换红外光谱仪(FTIR)对棒络新妇、悦目金蛛的大壶状腺丝(拖丝)、悦目金蛛的捕丝(粘性螺旋丝)和卵袋丝这3种不同类型蜘蛛丝的二级结构进行了测试研究,结果表明:蜘蛛丝含无规则卷曲、α-螺旋和β-折叠3种构象;对这3种蛛丝的红外光谱进行比较表明同一蜘蛛的不同类型蛛丝所含的这3种二级结构的比例不同,这种不同组成的二级结构就赋予了蜘蛛丝不同的特性。Dianna等(1999)对黑寡妇Latrodectushesperus卵囊丝氨基酸组成的分析,Barghout等(1999)对十字园蛛Araneusdiadematus卵袋丝晶体结构的分析和Vollrath等(1994)对十字园蛛的捕丝形态结构的研究均表明,蛛丝卓越的生物学性能与蛛丝的分子结构密不可分,蛛丝特殊的性能与蛛丝特殊的生物学功能是保持高度一致的。4种蜘蛛蛛丝中,大腹园蛛、迷宫漏斗蛛和棒络新妇的机械性能明显优于草间钻头蛛,说明蛛丝的断裂强度可能与蜘蛛自身体重存在着明显的相关性。邢建德等(2007)研究棒络新妇表明断裂强度随着体重的增加而增加,Osaki等(1999)在研究中发现,人工卷取的蜘蛛牵引丝的力学性能与蜘蛛的体重有相关性。一般来说,屈服应力为其体重的2倍,断裂应力为其体重的6倍。本研究中大腹园蛛、迷宫漏斗蛛和棒络新妇都属于体型和重量较大的蜘蛛,而草间钻头蛛属于体型和重量较小的蜘蛛,这与邢建德(2007)和Osaki等(1999)报道一致,也进一步证明了与其它动物一样,蜘蛛在行为进化的过程中遵循了以最小利益获得最大回报的经济原则。另外从野外调查4种蜘蛛的食物大小来分析,大腹园蛛、迷宫漏斗蛛和棒络新妇捕食的都是体型较大的动物,主要是鳞翅目、直翅目、膜翅目和鞘翅目的昆虫以及其它一些动物,而草间钻头蛛主要捕食的是一些体型微小的昆虫,例如蚊子、果蝇和蚋等。食物体型越大,活动能力强,捕获捆绑的蛛丝的机械性能就得越强大。因此蜘蛛的大小、行为、捕食策略、食谱及猎物种类和大小,天敌等与蛛丝的机械性能的关系,是今后进一步深入研究的重点。此外,本研究中在同种条件下,蛛丝机械性能参数波动范围较大。刘敏等(2003)研究表明蜘蛛垂直下落时分泌的牵引丝与其他